Les condensats de Bose-Einstein (BEC) sont des états fascinants de la matière qui apparaissent lorsque des atomes ou des molécules sont refroidis à des températures extrêmement basses, juste légèrement au-dessus du zéro absolu (0 K). En 2023, des physiciens de l’Université de Columbia ont réalisé pour la toute première fois des BEC composés de molécules ultra-froides.
S'appuyant sur leurs travaux, un autre groupe de recherche de la TU Wien et du Centre de Vienne pour les sciences et technologies quantiques a récemment entrepris d'étudier le comportement de ces molécules dipolaires ultra-froides, tout en explorant la possibilité qu'elles puissent s'organiser spontanément en de nouvelles formes de matière. Leurs conclusions, publiées dans Lettres d'examen physiquesuggèrent que de nouveaux états corrélés pourraient émerger dans des molécules polaires ultra-froides, montrant que ces états pourraient être sondés dans de futures expériences.
« Les BEC de molécules polaires ultrafroides étaient un objectif de plusieurs décennies, mais n'ont été réalisés expérimentalement que très récemment », a déclaré Matteo Ciardi, co-auteur de l'article, à Issues.fr.
« Dès le début, notre objectif était d'effectuer des simulations précises pour des systèmes réalistes, afin de servir de références futures pour d'autres travaux numériques et de comparaison utile pour les expériences. Il était également important qu'une expression analytique décrivant un potentiel expérimental réaliste, que nous puissions directement utiliser dans nos simulations, vienne d'être publiée. »
Au départ, Ciardi et ses collègues envisageaient d'étudier des molécules maintenues en place par un piège externe (c'est-à-dire une structure constituée de lumière). Cependant, ils ont ensuite décidé d’étudier les états dans lesquels les molécules pourraient se maintenir ensemble naturellement, appelés phases auto-liées.
« Notre travail a été motivé par nos recherches antérieures sur les gaz quantiques magnétiques faiblement dipolaires et par les récentes avancées de deux autres groupes qui ont réalisé des BEC moléculaires fortement dipolaires », a déclaré Tim Langen, co-auteur de l'article. « Ces développements ont ouvert de nouvelles possibilités passionnantes, mais on ne sait toujours pas quels types de nouveaux phénomènes physiques pourraient émerger dans ce nouveau régime. »
L'objectif principal de cette étude récente menée par Ciardi, Langen, Kasper Rønning Pedersen et Thomas Pohl était d'identifier de nouveaux aspects de la physique des molécules dipolaires qui pourraient bientôt être explorés expérimentalement. De plus, ils souhaitaient faire la lumière sur la manière dont ces aspects pourraient se manifester dans des molécules ultra-froides, où les interactions sont particulièrement fortes.
« Lorsque j'ai commencé mon doctorat il y a deux ans, les systèmes BEC dipolaires étaient étudiés avec des atomes, et le premier BEC de molécules polaires n'était pas encore réalisé », a déclaré Kasper Rønning Pedersen, co-auteur de l'article. « Les atomes avec des moments dipolaires importants sont intéressants car ils peuvent former des phases exotiques telles que des gouttelettes superfluides et des superfluides, et certains effets quantiques sont renforcés par la force dipolaire. »
Les moments dipolaires des atomes sont magnétiques, ce qui impose des limites à leur taille. En revanche, les molécules polaires peuvent également avoir des dipôles électriques et leur taille peut être nettement supérieure à celle des atomes, ce qui augmente leur complexité et peut ouvrir de nouvelles possibilités pour l'observation de nouvelles phases de la matière.
« Le problème avec les molécules ultra-froides est que, comme les interactions sont très fortes, les méthodes approximatives habituellement utilisées pour les atomes ultra-froids deviennent peu fiables », a expliqué Ciardi.
« Nous nous sommes donc tournés vers des techniques plus sophistiquées, en particulier Path Integral Monte Carlo, qui a été développée pour faire des prédictions sur des bosons fortement corrélés tels que l'hélium-4 superfluide. La méthode nécessite des ressources informatiques étendues et est limitée par le nombre de particules.
« Heureusement, les BEC de molécules polaires ultra-froides contiennent environ 500 à 1 500 particules, ce qui est à la portée des simulations (ce qui contraste particulièrement avec les ~ 100 000 particules habituellement impliquées dans les expériences sur les atomes ultra-froids). »
Bien que Path Integral Monte Carlo ait permis aux chercheurs de simuler de manière fiable les BEC de molécules polaires ultrafroides, les simulations qu'ils ont effectuées étaient encore lourdes en termes de calcul. Pour les réaliser, ils ont donc dû utiliser des systèmes informatiques avancés et même dans ce cas, une seule simulation durait plusieurs jours.
« La communauté des physiciens des dipôles a développé des méthodes basées sur des équations de champ moyen qui fonctionnent bien pour les atomes », a déclaré Pedersen.
« En plus de l'interaction dipôle-dipôle, qui domine à de grandes distances, les atomes se repoussent comme des boules de billard lorsqu'ils se rapprochent. La façon dont les molécules interagissent présente de nombreuses similitudes, mais le » mur « répulsif fonctionne à de plus grandes distances, ce qui signifie que les molécules ne se rapprochent pas aussi près que les atomes. C'est l'une des raisons pour lesquelles nous avons dû utiliser la méthode de Monte Carlo quantique, lourde en termes de calcul, pour cette étude. «
Les simulations réalisées par les chercheurs ont montré que des molécules polaires ultra-froides pouvaient former des phases fortement corrélées sans nécessiter de confinement externe. En particulier, ils ont fait allusion à l’émergence de ces phases auto-liées dans des cristaux monomoléculaires.
« Étant donné que les paramètres que nous utilisons sont réalistes (et que des expériences plus récentes ces derniers mois commencent à se rapprocher de ces régions du diagramme de phases), il y a de fortes chances que ces phases puissent bientôt être réalisées dans des expériences », a déclaré Ciardi.
Les chercheurs ont découvert que les molécules polaires ultra-froides pouvaient former des gouttelettes quantiques auto-liées à des forces d’interaction inférieures à celles prédites par des travaux antérieurs. Ces gouttelettes pourraient alors se transformer en membranes superfluides, en couches bidimensionnelles (2D) sans frottement, puis en une monocouche cristalline qui resterait liée entre elles sans avoir besoin d'être confinée.
« Nos résultats démontrent que de nouveaux états de la matière fortement corrélés peuvent effectivement exister et être sondés dans des systèmes moléculaires ultrafroids dans des conditions expérimentales réalistes », a ajouté Langen.
« C'est particulièrement passionnant car cela relie deux mondes : les phases supersolides précédemment explorées dans les condensats magnétiques de Bose-Einstein et la physique longtemps recherchée des systèmes à l'hélium, qui est restée insaisissable pendant des décennies. »
Cette étude récente pourrait éclairer de futures expériences avec des molécules dipolaires ultra-froides, ce qui pourrait potentiellement conduire à l'observation des nouveaux états de la matière apparus dans leurs simulations. En attendant, les chercheurs prévoient de poursuivre leurs analyses dans l’espoir de découvrir d’autres phases qui pourraient être sondées expérimentalement.
« Les interactions dipolaires étudiées dans cet article montrent déjà des propriétés très intéressantes, mais elles ne constituent qu'un cas spécifique d'une gamme beaucoup plus large de potentiels qui peuvent et sont utilisés dans des expériences », a déclaré Ciardi. « Notre objectif à court terme est donc d'étendre l'analyse à davantage de potentiels et de déterminer à quelles autres phases on peut s'attendre dans les expériences. »
Dans ses prochaines études, Ciardi espère notamment caractériser d'autres phases cristallines de molécules polaires ultrafroides. Langen, quant à lui, qui est physicien expérimental, travaille actuellement à la réalisation des états simulés avec ses collègues en laboratoire.
« Nous essayons de réaliser ces états en refroidissant les molécules au laser à des températures ultra-froides », a déclaré Langen. « Cet effort continu nous permettra de donner vie à nos prédictions théoriques et d'étudier directement leurs propriétés. »
« Ce qui est intéressant avec les molécules polaires, c'est que nous pouvons contrôler et modifier la façon dont elles interagissent », a ajouté Pedersen. « Cela contraste, par exemple, avec la façon dont les électrons interagissent, qui est fixe et donnée par la nature. L'interaction que nous avons choisi d'étudier dans cet article n'est qu'une parmi de nombreuses possibilités, ce qui signifie qu'il y en a beaucoup plus à explorer. »
Les chercheurs espèrent que leurs travaux contribueront bientôt à la découverte de nouvelles phases quantiques de la matière. Ils prévoient désormais des études supplémentaires qui s’appuieront sur leur nouvelle plateforme expérimentale proposée.
« Par exemple, des phases cristallines exotiques fortement corrélées et présentant simultanément des propriétés superfluides ont été conjecturées il y a plus de 50 ans mais n'ont pas encore été trouvées dans la nature », a déclaré Thomas Pohl, qui a dirigé le projet de recherche. « Notre démonstration de cristaux moléculaires ultrafroids avec des interactions aussi largement réglables suggère que cela pourrait désormais devenir possible dans un avenir proche. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
